胡慶芳 ，朱榮進(jìn)，王銀堂 ，李伶杰 ，李曦亭

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029； 2. 長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

太湖流域位于我國(guó)東南部，地處長(zhǎng)三角核心地帶，是著名的江南水網(wǎng)地區(qū)，人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化程度高[1-3]。2019年太湖流域以占全國(guó)0.39%的國(guó)土面積，承載了4.4%的人口，創(chuàng)造了9.8%的GDP[4-5]。然而，受梅雨、臺(tái)風(fēng)和沿海沿江洪潮共同影響，太湖流域洪澇多發(fā)[6]，多次大洪水均造成了重大災(zāi)害損失[6-12]。已有文獻(xiàn)對(duì)太湖流域典型洪澇事件多有研究。如陳家其[6]比較了太湖流域35場(chǎng)歷史大洪水與1954年洪水，認(rèn)為1954年洪水并非稀遇；吳浩云[7]對(duì)比了太湖流域1931年、1954年、1983年和1991年4次典型的梅雨型洪水及其災(zāi)害損失，強(qiáng)調(diào)了梅雨對(duì)太湖及河網(wǎng)高水位的主導(dǎo)性影響；賈鎖寶等[8]分析了1999年梅雨期太湖出入湖水量及漲退水速度；太湖流域管理局對(duì)1991年和1999年兩次大洪水中的降水、水位過程和洪水調(diào)度情況開展了系統(tǒng)總結(jié)[9-10]；王同生[11]指出由于太湖流域洪水防御能力的提升，2016年大洪水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP之比遠(yuǎn)低于1991年和1999年，但仍需擴(kuò)大洪水出路、優(yōu)化防洪調(diào)度；王磊之等[12]對(duì)比分析了1991、2016年洪水期太湖流域降水、河湖水位和洪澇調(diào)度情況，指出2016年致洪降水在時(shí)程分布上較1991年對(duì)太湖流域防洪更為不利。

2020年6—7月受梅雨影響，太湖流域發(fā)生了21世紀(jì)以來最新的一次流域性洪水。該次洪水期間，太湖最高水位一度達(dá)到了4.79 m，居1954年以來第3位，太湖水位持續(xù)超警戒水位48 d、超保證水位9 d；同時(shí)河網(wǎng)水位也大范圍超過保證水位，部分站點(diǎn)最高水位創(chuàng)歷史新高。對(duì)2020年太湖流域大洪水加以分析總結(jié)，是科學(xué)認(rèn)識(shí)全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化背景下太湖流域洪澇發(fā)展規(guī)律的重要基礎(chǔ)性工作。鑒于此，本文針對(duì)2020年洪水與1991年、1999年、2016年3場(chǎng)歷史典型洪水進(jìn)行對(duì)比，從流域及區(qū)域降水、太湖及河網(wǎng)水位等方面比較4場(chǎng)洪水異同，為辨識(shí)太湖流域洪水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、優(yōu)化設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算、強(qiáng)化洪水科學(xué)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4,9-10]及2020年報(bào)汛數(shù)據(jù)等，收集了1991年、1999年、2016年和2020年汛期太湖全流域及各水利分區(qū)逐日面雨量。根據(jù)太湖流域水文年鑒及有關(guān)報(bào)汛資料，收集了太湖及河網(wǎng)代表站逐日水位數(shù)據(jù)（水位采用85國(guó)家基面），其中太湖水位為大浦口、望亭（太）、洞庭西山、夾浦、小梅口等5個(gè)站的算術(shù)平均值；河網(wǎng)水位選取坊前、陳墅、湘城、嘉興、杭長(zhǎng)橋、青浦等6個(gè)站點(diǎn)分別作為湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浙西區(qū)和浦東浦西區(qū)的代表站。圖1給出了太湖流域水利分區(qū)及相應(yīng)代表站位置。其中A～G分別為湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、太湖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浙西區(qū)和浦東浦西區(qū)；A與F是太湖洪水主要來源區(qū)，A與B為太湖流域北部區(qū)域，C～G為太湖流域南部區(qū)域；DEM為地表數(shù)字高程。

圖1 太湖流域水利分區(qū)及水位代表站分布Fig. 1 The sub-areas and water level representative gauges in the Taihu Lake Basin

1.2 研究方法

2020年等4場(chǎng)洪水屬于梅雨型洪水，均具有降水總量大、歷時(shí)長(zhǎng)、波及范圍廣、太湖及河網(wǎng)水位高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，但降水和水位特性仍有一定差異。本文著重對(duì)太湖流域2020年和其他3場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)的流域及各水利分區(qū)降水、太湖及河網(wǎng)水位過程進(jìn)行比較。對(duì)于降水要素，分析日時(shí)間尺度上洪水期降水強(qiáng)度和集中性，并對(duì)比降水的區(qū)域分異性。對(duì)于水位要素，主要分析洪水期太湖、河網(wǎng)代表站最高水位及水位漲退過程的差異。本文所采用的降水、水位分析指標(biāo)如表1所示。

表1 太湖流域降水和水位分析指標(biāo)Tab. 1 Analysis indices of precipitation and water level in Taihu Lake Basin

2 致洪降水過程

2.1 流域降水過程

表2給出了太湖流域2020年等4場(chǎng)大洪水對(duì)應(yīng)的降水過程簡(jiǎn)況，該表中的漲水期是指當(dāng)年汛期太湖水位遇致洪降水起漲至達(dá)到最高水位的日期。

表2 太湖流域4場(chǎng)大洪水對(duì)應(yīng)的降水過程概況Tab. 2 Overview of the rainfall process corresponding to the four floods in the Taihu Lake Basin

1991年導(dǎo)致太湖水位上漲并達(dá)到最高水位的兩次降水過程全部發(fā)生在梅雨期，兩次降水過程中間具有10 d的間歇期。其中第一次降水過程發(fā)生在6月8—19日，降水量266.7 mm、日均降水量22.2 mm；第二次降水過程發(fā)生在6月30日—7月14日，降水量285.1 mm、日均降水量19.0 mm。

1999年導(dǎo)致太湖水位上漲并達(dá)到最高水位的3次降水過程均位于梅雨期，各場(chǎng)降水之間約有5 d間隔期。其中第1次致洪降水過程發(fā)生在6月7—11日，降水量和日均降水量分別為182. 6和36.5 mm；第2次致洪降水過程位于6月15—17日，降水量和日均降水量分別為62.6和20.9 mm；第3次致洪降水過程位于6月23日—7月1日，降水量和日均降水量分別為370.3和41.2 mm?？梢娫撃甑?次降水過程的累積降水量和平均降水強(qiáng)度均十分突出。

2016年太湖流域致洪降水過程有3次，中間也具有明顯間歇期。第1次和第2次降水過程均發(fā)生在入梅前。其中第1次致洪降水過程位于5月25日—6月3日，降水量和日均降水量分別為123.2和12.3 mm。第2次致洪降水過程位于6月11—12日，降水量和日均降水量分別為59.8和29.9 mm。第3次致洪降水過程發(fā)生在梅雨期的6月19日—7月7日，降水量和日均降水量分別為378.1和19.9 mm。因此，2016年和1999年致洪降水過程具有一定相似性，但降水集中性與后者相差甚遠(yuǎn)。

2020年形成太湖最高水位的降水過程時(shí)間（6月10日—7月21日，共42 d）與當(dāng)年梅雨期（6月9日—7月21日）基本對(duì)應(yīng)，累積降水量618.5 mm、日均降水量14.7 mm。因此，2020年太湖流域致洪降水時(shí)程與其他3個(gè)年份有明顯不同。根據(jù)表2可知，2020年最大連續(xù)3日、7日和15日降水量較1999年有明顯差距，也不及1991年和2016年，但漲水期降水總量?jī)H低于1999年，超過其他兩個(gè)年份，最大連續(xù)30日降水量與1991年接近、高于2016年。表3進(jìn)一步給出了4場(chǎng)洪水過程對(duì)應(yīng)的降水時(shí)程分布指標(biāo)。從表3可知，2020年致洪降水過程均勻度最高、集中度最低。這是因?yàn)?020年漲水期降水連續(xù)，而其他3個(gè)年份降水過程具有明顯間歇期，尤以1999年最為突出。

表3 4場(chǎng)洪水的漲水期降水時(shí)程分布特征值Tab. 3 Statistics of precipitation time distribution during the flood periods of the four floods

2.2 分區(qū)降水過程

由圖2可知，1991年和2016年洪水期降水屬于典型的“北部型”降水，太湖流域北部湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)降水量明顯超過南部浙西、杭嘉湖等分區(qū)。1999年洪水期降水則正好相反，屬典型的“南部型”降水。而2020年洪水期降水既不屬于“北部型”，也不屬于“南部型”，該年各分區(qū)雨量相對(duì)均勻，除浦東浦西區(qū)外，北部分區(qū)和南部區(qū)雨量較為接近，漲水期所有分區(qū)降水總量均在500 mm以上。表4給出了2020年等4場(chǎng)洪水漲水期分區(qū)降水特征值，表明2020年漲水期太湖流域降水在各分區(qū)的分布最均勻，而2016年最不均勻。1991年和2016年北部降水明顯超過南部，北部與南部降水比值分別為1.51與1.30；1999年南部降水明顯超過北部，北部降水僅為南部的3/4；2020年北部降水與南部基本相當(dāng)，各分區(qū)雨量的極差在4個(gè)年份中是最小的。故從空間分布來看，2020年致洪降水代表了一種新的雨型。

表4 太湖流域4場(chǎng)洪水的漲水期分區(qū)降水特征值Tab. 4 Statistics of rainfall for the sub-areas during the flood rising periods in the Taihu Lake Basin

圖2 太湖流域4場(chǎng)洪水典型區(qū)域特征降雨量Fig. 2 Statistics of daily precipitation corresponding to the four floods in the Taihu Lake Basin

2020年湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)漲水期降水總量超過了1999年，但除武澄錫虞區(qū)外的其他各分區(qū)最大連續(xù)3日、7日、15日、30日降水量均明顯低于1999年。因此，2020年漲水期多數(shù)分區(qū)降水量雖高于1999年，但降水集中性明顯低于后者。2020年漲水期太湖流域北部的湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)降水總量及各極值降水量明顯低于1991年、2016年，而太湖區(qū)、浙西區(qū)、杭嘉湖區(qū)等分區(qū)則相反。

3 河湖水位過程

3.1 太湖水位

圖3為2020年等4場(chǎng)洪水在漲水期開始至太湖水位消退至3.80 m期間對(duì)應(yīng)的太湖逐日水位和流域逐日降水過程，表5為4場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)的水位統(tǒng)計(jì)參數(shù)。1991年洪水期太湖起漲水位為3.37 m，受第1輪致洪降水影響，太湖水位上漲至4.20 m以上，但隨后因10 d的降水間歇期（6月20—29日），太湖水位明顯回落，在回落過程中又受第2輪降水影響而達(dá)到當(dāng)年最高水位4.79 m。

表5 4場(chǎng)大洪水期間太湖水位過程Tab. 5 Water level process of Taihu Lake during the four floods

圖3 4場(chǎng)洪水太湖水位與降水對(duì)應(yīng)過程Fig. 3 Precipitation and water level of the Taihu Lake for the four floods

1999年洪水期太湖起漲水位為3.00 m，入梅后遭遇6月7—11日的第1次降水過程，水位明顯上漲；但此后雖有6月15—17日的第2次降水，但雨量總體不大，太湖水位比較穩(wěn)定；在6月23日—7月1日遭遇第3輪最主要的降水過程（降水量和日均降水量分別為370.3和41.2 mm），至7月8日達(dá)到年內(nèi)最高水位4.97 m。

2016年4—5月太湖流域降水持續(xù)偏多，太湖以1954年以來的歷史最高水位（3.51 m）入汛。之后太湖水位雖有2次回落，但回落幅度不大。自6月19日開始，太湖水位受連續(xù)強(qiáng)降水影響而不斷上漲，至7月8日達(dá)到年內(nèi)最高水位4.88 m。

2020年5月下旬起太湖流域遭遇連續(xù)性降水過程，太湖水位自6月9日的3.16 m持續(xù)上漲，至7月21日達(dá)到年內(nèi)最高的4.79 m。與其他3個(gè)年份相比，2020年洪水期太湖水位具有洪水期起漲水位低、上漲持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，洪水消退歷時(shí)短、速度快的特點(diǎn)，這得益于太湖流域防洪治澇工程體系不斷完善及洪水調(diào)度水平的提高。

表6為4場(chǎng)洪水的漲水期水位過程的不均勻系數(shù)、集中度指標(biāo)。由表6可知，1999年和2020年漲水期水位過程最不均勻，水位變化最為集中，1991年和2016年則相對(duì)均勻。這是因?yàn)?020年和1999年最高水位與起漲水位相差較大（分別為1.63和1.97 m），且在上漲過程中均未出現(xiàn)回落現(xiàn)象，而1991年和2016年最高水位與起漲水位之差相對(duì)較?。ň鶠?.42 m），且1991年太湖水位上漲過程中還出現(xiàn)回落，導(dǎo)致不均勻系數(shù)和集中度偏小。對(duì)流域和區(qū)域的行洪能力考驗(yàn)越大，造成的防洪壓力也越大。因此，1999年和2020年面臨的防洪形勢(shì)更為嚴(yán)峻。

表6 4場(chǎng)洪水的漲水期水位時(shí)程分布特征值Tab. 6 Statistics of water level time distribution during the rising periods of the four floods

3.2 河網(wǎng)水位

表7為太湖流域坊前、陳墅、湘城、嘉興、杭長(zhǎng)橋、青浦等6個(gè)河網(wǎng)代表站汛期最高水位?？梢姡嗥终就?，4個(gè)年份各河網(wǎng)代表站最高水位均超過或大幅度超過保證水位。2020年南部浙西區(qū)杭長(zhǎng)橋站最高水位明顯高于1991年，杭嘉湖區(qū)嘉興站、陽(yáng)澄淀泖區(qū)湘城站與1991年基本持平，但北部武澄錫虞區(qū)陳墅站則明顯低于1991年，這一方面是受降水空間分布影響，另一方面受當(dāng)年洪水調(diào)度的影響。1991年洪水期間，由于洪水調(diào)度工程不完善，特別是太湖缺乏行洪通道，被迫采取了臨時(shí)炸壩、水泵強(qiáng)排等措施；2020年洪水，在太湖即將發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水之際，迅速編報(bào)了《2020年太湖超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案》，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御贏得主動(dòng)，洪水期間的錯(cuò)峰精細(xì)調(diào)度保證了東太湖洪水順利下泄[17]。因此，盡管2020年洪水在漲水期降水量和時(shí)間連續(xù)性方面更加惡劣，但是除上游的浙西區(qū)以外，其他區(qū)域面臨的防洪壓力低于1991年。與2016年相比，2020年北部的坊前和陳墅最高水位低于前者，其他3個(gè)代表站均明顯高于2016年，尤其是浙西區(qū)最為突出。與1999年相比，2020年各分區(qū)中杭嘉湖區(qū)最高水位高于前者，其他各分區(qū)均低于前者。

表7 4場(chǎng)洪水各水利分區(qū)代表站水位統(tǒng)計(jì)值Tab. 7 Water level statistics of representative gauges in each subarea of the four floods

圖4為4個(gè)年份各代表站6—9月逐日水位過程?？梢?，由于各站水位過程受太湖洪水、區(qū)域致洪降水和河網(wǎng)水利工程調(diào)度等因素影響，因此漲落過程遠(yuǎn)較太湖水位復(fù)雜。武澄錫虞區(qū)是1991年、2016年洪水期太湖流域降水中心，陳墅站水位漲落過程代表區(qū)域的洪澇情勢(shì)顯然較2020年更為惡劣。

圖4 太湖流域河網(wǎng)代表站6—9月水位過程Fig. 4 Water level process of representative gauges in the Taihu Lake Basin from June to September

由圖4可知，4場(chǎng)洪水以1999年的洪澇情勢(shì)最為嚴(yán)峻，2020年湘城站最高水位明顯低于1999年，也低于1991年，同時(shí)高水位持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短、退水較快，但與2016年相比，2020年湘城站水位顯然要惡劣一些。

杭嘉湖區(qū)是1999年的降雨中心，其反映的區(qū)域洪澇情勢(shì)較其他年份更惡劣[10]。盡管1991年降水集中在北部，受東太湖、運(yùn)河?xùn)|岸和太浦河北岸等閘門敞開泄水的影響，該年嘉興站水位情勢(shì)也較為嚴(yán)峻[9]。2020年嘉興站最高水位與1991年相當(dāng)，但2020年的防洪除澇應(yīng)對(duì)措施準(zhǔn)備充分，行洪排澇能力增加，故2020年嘉興高水位持續(xù)時(shí)間明顯短于后者。2016年嘉興站水位過程最為平穩(wěn)，區(qū)域防洪壓力相對(duì)較小。

杭長(zhǎng)橋站位于浙西區(qū)，其水位過程同時(shí)受太湖水位和上游山區(qū)來水影響。2020年杭長(zhǎng)橋站不僅最高水位較接近1999年，而且漲落過程也較為相似，這說明該年浙西區(qū)河網(wǎng)水位情勢(shì)相當(dāng)惡劣。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文開展了太湖流域2020年與2016年、1999年和1991年歷史洪水的對(duì)比分析，解析了4場(chǎng)洪水對(duì)應(yīng)的降水時(shí)空分布特征，比較了太湖及河網(wǎng)代表站水位過程的異同，主要結(jié)論如下：

（1）在降水時(shí)程分布上，1991年、1999年和2016年太湖漲水期流域降水過程有明顯間歇期，而2020年太湖漲水期流域降水則可視為一次連續(xù)性降水過程，其集中性低于其他3個(gè)年份。在降水空間分布上，1991年和2016年洪水期降水為典型的“北部型”，1999年為典型的“南部型”，而2020年為“全流域”型，各水利分區(qū)降水總量和極值降水量相對(duì)較為均勻。

（2）受降水過程影響，1991年和2016年洪水期太湖水位上漲過程中均出現(xiàn)一定回落，1999年水位在上漲過程中有平緩期；2020年洪水期太湖水位表現(xiàn)為持續(xù)性上漲過程，其平均漲水速度高于1991年和2016年，但低于1999年。在退水方面，2020年退水時(shí)間最短、平均退水速率在4個(gè)年份中最高。

（3）除青浦站外，2020年太湖流域各河網(wǎng)代表站最高水位均超過或大幅度超過保證水位，各分區(qū)代表站中又以浙西區(qū)杭長(zhǎng)橋站和杭嘉湖區(qū)嘉興站洪水期水位情勢(shì)較為惡劣。

總體而言，2020年洪水期太湖流域致洪降水時(shí)空分布的新特征導(dǎo)致洪水期太湖和河網(wǎng)水位不同于2016年等其他年份。2020年洪水期太湖流域降水總量大、持續(xù)性強(qiáng)且在各水利分區(qū)分布相對(duì)較為均勻，太湖和河網(wǎng)代表站水位持續(xù)且居高不下，故太湖和各分區(qū)同時(shí)面臨較大防洪排澇壓力。在今后設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算和洪水調(diào)度預(yù)案制訂中，應(yīng)考慮洪水的新特征。

盡管2020年洪水期間太湖及眾多河網(wǎng)代表站水位大幅度超過保證水位，但當(dāng)年直接災(zāi)害損失僅1.5億元（來源于太湖流域管理局），不僅遠(yuǎn)低于1991年和1999年的洪水損失（直接經(jīng)濟(jì)損失分別為113.9億元和141.0億元），也明顯低于2016年的損失（75.3億元）[9-11]。其原因一方面在于2020年致洪降水過程較為均勻、各歷時(shí)極值雨量相對(duì)較??；另一方面也得益于流域、區(qū)域和城市3個(gè)層級(jí)的防洪治澇工程體系不斷完善及洪水調(diào)度管理水平的提高，使太湖及各分區(qū)能夠更加有效地應(yīng)對(duì)超保證水位的情況。但2020年洪水仍暴露了太湖及區(qū)域洪水出路不足、江南運(yùn)河沿線集中排澇突出等問題。因此，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)治太骨干工程后續(xù)建設(shè)，同時(shí)強(qiáng)化流域與區(qū)域防洪除澇協(xié)調(diào)性。